乳児と介護者の社会的相互作用のための在宅脳波ハイパースキャン

このプロトコルでは、同期脳波記録、心電図検査、および行動記録が、家庭環境で乳児と介護者のペアからどのようにキャプチャされたかについて説明します。

介護者と子供の脳活動を同時に記録する以前のハイパースキャン研究は、主に実験室内で行われてきたため、結果の一般化可能性は実際の設定に限定されていました。ここでは、同期脳波計(EEG)、心電図(ECG)、および自宅でのさまざまなインタラクティブなタスク中の乳児介護者ペアからの行動記録をキャプチャするための包括的なプロトコルが提案されています。このプロトコルは、さまざまなデータストリームを同期し、EEGデータの保持率と品質チェックを報告する方法を示しています。さらに、実験のセットアップ、タスク、および家庭環境でのデータ収集に関する重要な問題と可能な解決策についても説明します。このプロトコルは、乳児と介護者のペアに限定されず、さまざまなダイアディックコンステレーションに適用できます。全体として、EEGハイパースキャンセットアップの柔軟性を実証しており、これにより、実験室の外で実験を行い、より生態学的に有効な環境環境で参加者の脳活動をキャプチャできます。それでも、動きやその他の種類の人工物は、家庭環境で実行できる実験タスクを依然として制約しています。

2つ以上の相互作用する被験者の脳活動を同時に記録すること(ハイパースキャンとも呼ばれる)により、社会的相互作用の複雑で双方向の^{速いダイナミクス1}の神経基盤を解明することが可能になりました。この手法は、孤立した厳しく管理された環境での個人の研究から、自由遊び中の親子の相互作用^2,3、パズルを解く⁴、協力的なコンピューターゲーム^5,6など、より自然な相互作用の調査に焦点を移しました。これらの研究は、脳活動が社会的相互作用中に同期する、すなわち時間的類似性を示すこと、つまり対人神経同期(INS)と呼ばれる現象を示しています。しかし、ハイパースキャン研究の大部分は実験室の設定に限定されています。これにより、実験的な制御が向上しますが、生態学的妥当性が失われる可能性があります。実験室で観察された行動は、なじみのない人工的な設定と課せられたタスクの性質のために、参加者の典型的な日常のインタラクティブな行動を代表していない可能性があります⁷。

脳波記録法(EEG)や機能的近赤外分光法(fNIRS)などのモバイルニューロイメージングデバイスの最近の進歩により、参加者が記録コンピューターに物理的に接続し続ける必要がなくなるため、これらの問題が軽減されます。したがって、彼らは、参加者が教室や自宅で自由に相互作用している間の参加者の脳活動を測定することを可能にする^8,9。脳波は、fNIRSなどの他のニューロイメージング技術と比較した利点として、時間分解能が優れているため、ペースの速い社会動態の研究に特に適しています¹⁰。しかし、脳波信号は、運動やその他の生理学的および非生理学的アーチファクト¹¹に対して非常に脆弱であるという注意点が伴う。

それにもかかわらず、最初の研究では、現実的な環境と条件でEEGハイパースキャンのセットアップを成功裏に実装しました。例えば、Dikkerら¹²は、講義への参加、ビデオの視聴、グループディスカッションへの参加など、さまざまな教室活動に従事する学生のグループのEEG信号を測定しました。この研究は、他の研究^8,9とともに、主に乾燥したEEG電極を使用して、実験室以外の環境での測定の実施プロセスを容易にします。導電性ゲルやペーストを塗布する必要がある湿式電極と比較して、乾式電極は使いやすさの点で顕著な利点を提供します。それらは、成人集団および定常条件で湿式電極と同等の性能を示すことが示されています。ただし、インピーダンスレベル¹³の増加により、モーション関連のシナリオではパフォーマンスが低下する可能性があります。

ここでは、低密度の 7 チャネル液体ゲル EEG システムから同期記録をキャプチャするための作業プロトコルを示します 単一リード心電図 (ECG) に接続された 1 つのリード心電計 (ECG) は、自宅での乳児介護者ペアのペアです。能動電極は成人に使用されましたが、乳児には代わりに受動電極が使用されました。これは、後者が通常リング電極の形で提供され、ゲル塗布のプロセスを容易にするためです。さらに、EEG-ECGの記録は3台のカメラとマイクに同期され、参加者の行動をさまざまな角度からキャプチャしました。この研究では、生後8〜12か月の乳児とその介護者が、脳波、心電図、および行動が記録されている間、読書と遊びのタスクに従事しました。過度の動きが脳波信号の品質に与える影響を最小限に抑えるために、タスクはテーブルトップの設定で行われました(たとえば、キッチンテーブルと乳児用ハイチェアを利用する)ため、参加者はインタラクションタスク全体を通して座ったままでいる必要がありました。介護者には、年齢に応じた3冊の本と卓上玩具(転倒を防ぐための吸盤付き)が提供されました。彼らは約5分間子供に読み聞かせをするように指示され、その後、おもちゃを使った10分間の遊びのセッションが続きました。

このプロトコルは、読み取りおよび再生タスク中に同期したEEG-ECG、ビデオ、およびオーディオデータを収集する方法を詳しく説明しています。ただし、全体的な手順はこの研究デザインに固有のものではなく、さまざまな集団(親子ペア、友人ペアなど)や実験タスクに適しています。異なるデータストリームの同期方法が提示されます。さらに、Dikker et ^al.12 に基づく基本的な EEG 前処理パイプラインの概要を説明し、EEG データの保持率と品質管理メトリックを報告します。特定の分析の選択肢はさまざまな要因(タスクデザイン、研究課題、EEGモンタージュなど)に依存するため、ハイパースキャンEEG分析についてはこれ以上詳しく説明しませんが、代わりに、読者は既存のガイドラインとツールボックスを参照します(たとえば、ガイドラインについては¹⁴;^15,16 ハイパースキャン解析ツールボックス用)。最後に、このプロトコルでは、家庭やその他の実世界でのEEG-ECGハイパースキャンの課題と潜在的な解決策について説明します。

記載されているプロトコルは、シンガポールの南洋理工大学の治験審査委員会(IRB)によって承認されています。インフォームドコンセントは、すべての成人参加者と乳児に代わって親から得られました。

1. ホームセッションにおける設備・スペースの検討

1. 国や季節によって異なる湿度と温度の条件に備えてください。高温多湿の環境では、十分な空気の流れがあることを確認し、可能であれば自宅のエアコンユニットのスイッチを入れてください。
2. WiFi送信機、Bluetooth機器(携帯電話、キーボード、マウスなど)、電子レンジからの距離を維持してください。さらに、実験のセットアップを家の中で充電するデバイスから遠ざけるようにしてください。これにより、データに重大な電力線ノイズが発生する可能性があるためです。近くに立っているファンや天井のファンを高速で高速にすると、EEGケーブルが揺れ、機械的なアーティファクトの原因となる可能性があることに注意してください。
3. 参加者の自宅内で実験を行うためのスペースを準備します。検査エリアには、介護者1名と乳児1名がテーブルを囲んでハイチェアに座り、三脚に3台のカメラを設置できる十分なスペースがあることを確認してください。可能であれば、テーブルからすべてのアイテムをクリアして、気を散らす可能性のあるものを減らします。
4. テストエリアには、ビデオカメラが参加者の表情をキャプチャするための十分な明るさがあることを確認します。テーブルが窓の近くにある場合は、レンズのまぶしさを防ぐために、ビデオカメラを窓に向けて置かないでください。

2. セッション前の準備

1. EEG測定のために、成人はセッションの前日にヘアケア製品を塗布せずに髪を洗う必要があることを参加者に伝えます。脳波検査当日に化粧を控えてもらえないか聞いてみてください。
2. セッションの前日に、すべての録音機器(マイクとビデオカメラ)、ラップトップ、アンプ、およびトリガーボックスで使用されるパワーバンクが充電されていることを確認してください。セッションの数時間前に、すべての機器が完全に充電されていることを確認してください。充電器を携帯するか、できればポータブルパワーバンクを携帯して、機器のバッテリー残量が少なくなるという予期しないケースに備えてください。
3. セッションに必要な書類と録音機材をすべて用意してください。

3. 参加者の自宅で実験準備

1. EEGゲル化調製
   1. ジェルを取り扱うときは手袋を着用してください。4つのシリンジにゲルを、2つのシリンジにパッシブ電極用のブラントチップを、2つのシリンジにアクティブ電極用の細いチップを充填します。
   2. 乳幼児と成人のECG電極用に2つの正方形のマスキングテープを準備します。
2. 収録機材準備
   1. 電子機器を取り扱うときは手袋を外してください。
   2. すべてのラップトップの電源を入れ、EEGドングルをそれぞれのラップトップに取り付けます。EEG記録ソフトウェアが実行されていることを確認します。
   3. 大人用と乳児用を接続します amplifiersは、ワイヤレス接続を介してそれぞれのラップトップのEEG記録ソフトウェアに。
   4. 両方のアンプ(大人用と乳児用)のトリガーポート設定が同じであること、つまり、トリガーマーカーが入力パルスの立ち上がりエッジ(ハイアクティブ)または立ち下がりエッジ(ローアクティブ)で生成されるかどうかを確認して確認します。
   5. 3台のビデオカメラを各三脚に取り付けます。各ビデオカメラが、介護者、乳児、および介護者と乳児の両方をそれぞれ捉えていることを確認します( 複合ビュー)。セッションを開始する前に、ビデオカメラの角度が参加者の顔を一貫して捉えることができることを確認してください。これは、対話中に保護者が乳児の目まで下に移動することが多いことを考慮してのことです。
3. 乳児用ハイチェアと介護者用椅子をテーブルの端に置き、ビデオカメラが顔の表情を捉えることができる角度で互いに向き合うようにします( 図1を参照)。テーブルに十分なスペースがない場合は、乳児用ハイチェアと介護者用チェアを直角に並べて置きます。

図1:セットアップの上面図、 (1)乳児向けビデオカメラ。(2)コンバインドビュービデオカメラ。(3)介護者向けビデオカメラ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

4.介護者のためのEEGおよびECGセンサーアプリケーション

1. しっかりと取り付ける amplifierEEGキャップに
   1. 介護者は、ケーブルの動きやEEGノイズを減らすために、EEGキャップのバックポケットを使用してアンプを保管します。キャップを参加者に適用する前に、 amplifierしっかりと保管され、コネクタに取り付けられています。
   2. 取り扱い中は水に触れないようにしてください amplifier(つまり、ゲルに浸されている場合は手袋を外してください)。
2. 介護者に眼鏡、マスク、またはイヤリングを外すように依頼します。髪が結ばれている場合は、ヘアバンドを外して髪を下ろすように頼んでください。
3. 手袋を着用し、介護者の許可を得て、アルコール綿棒(70%イソプロピルアルコール(IPA))を使用して額を清掃します。
4. 介護者の頭の両側で、耳の最上部で髪を分けて、自然な髪の分離線に従って耳が完全に見えるようにします。
5. 鼻(眉毛の高さ)、眉毛の頂上(後頭部の最高点)、左右の耳珠間(耳の先端)の4つの基準点の周りに測定テープを配置して、介護者の頭囲を測定します。
6. 王冠のような手のジェスチャーでEEGキャップを内側から伸ばし、介護者の額から頭の後ろに向かってキャップを配置し始めます。キャップを離さずに、手を下にスライドさせてストラップを保持し、あごに向かって引き下げ、フックとループの端を固定します。参加者の快適さに応じてストラップを調整します。
   1. 不快感や視界の障害を防ぐために、参加者の顔の前髪や髪の毛が顔から離れていることを確認してください。
   2. キャップをそっと滑らかにして、電極が頭皮に密着するようにします。キャップにしわがないことを確認してください。
8. 左右の耳珠間の距離を測定して、Cz電極が測定の中点に対応していることを確認し、必要に応じて調整します。
9. EEGおよびECGゲルアプリケーション
   1. まず、基準電極と接地電極にゲルを塗布します。残りの電極をゲル化に進みます。成人は通常、後ろの髪の毛が多いため、インピーダンスが許容範囲(通常は<25kΩ)まで減少するのに時間がかかる可能性があるため、背面の電極から始めます。
   2. 介護者にジェルを塗るときは、先端が長くて細い注射器を使用してください。シリンジの先端を電極の開口部に挿入し、シリンジの下部のカーブを使用して髪を分けます。シリンジが引き出されるときに少量のゲルを噴出します。頭皮と電極の間に大きな隙間がある場合は、電極をしっかりと押し下げて接触させます。
   3. 特定のアクティブ電極のセットアップで可能な場合は、インピーダンス基準ガイドとして光を使用します。または、EEG記録ソフトウェアのインピーダンス測定値を参照して、接触の改善が必要な電極を特定します。
      注:低インピーダンスで信号品質が良好な電極(セッションを開始する前にアーティファクトをチェックすることで確認)は、キャップおよび/またはEEGモンタージュで緑色に着色されます。電極のインピーダンスが高い場合は、髪の毛を分離し、電極内のゲルを頭皮にはっきりと接触する点までよく動かす努力を繰り返します。
   4. キャップは通常、各ヘッドに完全にフィットするわけではなく、ヘッドの凹んだ領域は電極と頭皮の間に自然な隙間を引き起こす可能性があることに注意してください。インピーダンスが高いままの場合は、電極と頭皮の間にゲルブリッジを確保するために、ゲルの小さな山を塗布します。この後、キャップの下の隣接する電極にブリッジしないように、ゲルを横に動かさないように注意してください。
   5. キャップの上の隣接する電極を橋渡ししないように、ウェルをゲルでいっぱいにしないように注意してください。
   6. すべてのEEG電極のインピーダンスが低くなったら、アルコールワイプを使用して参加者の左鎖骨の下の柔らかい部分を清掃し、ECG電極の取り付けを開始します。
      1. ECG電極の底部に円形のテープを貼り付け、電極のウェルを覆うのに十分なゲルを塗布します。
      2. 左鎖骨の下の柔らかい部分に電極を取り付けます。センサーの上部に白いマスキングテープを貼ります。

5.乳児のためのEEGおよびECGセンサーアプリケーション

1. 実験者が提供するベストを乳児が着用するのを手伝ってくれるように、後でアンプを収納するためのバックポケットが付いたものを介護者に依頼します。
2. 介護者の許可を得て、アルコールワイプを使用して額を清掃します。4つの基準点の周りに測定テープを配置して、乳児の頭囲を測定します。
3. 乳児が明らかに機嫌が良く、一人で、または介護者と楽しそうに遊んでいる場合は、EEGキャップの装着を進めてください。乳児の気分や帽子の素因については、介護者に相談してください。親が同意する場合は、キャッピングする前に乳児の手を占めるドライフードやおもちゃを準備してください。さらに、乳児を介護者の膝の上に置き、ゲル化プロセス中に乳児が快適に感じるようにします。
4. 同じようにクラウンのようなストレッチ動作で乳児の頭にキャップをかぶせ、フックとループの端をあごの下に固定します。2番目の実験者または介護者に、ガラガラを使って乳児を見上げるように促してもらい、フックとループの端を固定しやすくします。
   1. 乳児の顔の前髪や抜け毛がキャップの下にきちんと隠れていることを確認して、不快感や視力障害を防ぎます。
   2. キャップをそっと滑らかにして、電極が頭皮に密着するようにします。キャップにしわがないことを確認してください。
5. 測定テープを使用して、Cz電極がヘッドの中間点または上部にあるように、キャップが正しく配置されていることを確認し、必要に応じてスクランチとリリースの方法を使用して調整します(手順4.7を参照)。
6. しっかりと取り付けます amplifierキャップに。接続したら、インピーダンスの読み取り値を表示します。
7. 接続されたアンプを乳児用ベストの後ろにあるポケットに入れます。
8. EEGおよびECGゲルアプリケーション
   1. まず、基準電極と接地電極にゲルを塗布します。残りの電極を裏側からゲル化していきます。
      注:乳児は、実験者が頭を触ったり、ゲルの冷たさを感じたりするのに少しうるさいかもしれません。その場合は、介護者が乳児を落ち着かせる時間を待ってから、続行してください。2人目の実験者は、乳児の気をそらすことができます(たとえば、泡を吹いたり、おもちゃを使ったり、食べ物を与えたりします)。
   2. すべての電極開口部をゲルで満たし、パッシブ電極を使用する場合は、綿の先端を使用して髪を左から右に穏やかに分けます(ここのように)。EEG記録ソフトウェアのモンタージュを参照して、ゲル化中のインピーダンスを確認してください。
   3. 乳児は成人に比べてゲル化プロセスに対する耐性が低いため、すべての電極がEEG記録ソフトウェアで低インピーダンス(通常は50kΩ<)を示すことを確認します。
   4. 赤ちゃんの左鎖骨の下の柔らかい部分を赤ちゃんのおしりふきできれいにし、大人の心電図と同じ手順に従って乳児の左鎖骨の下に心電図を取り付けます。

6. マルチモーダルデータ同期のためのトリガーボックスの作成

注:セッション中のさまざまなセンサーデータストリーム(EEG、ECG、ビデオ、オーディオなど)はさまざまな時点で記録を開始するため、イベントの単一のタイムラインを作成するには、手動で同期する必要があります。したがって、ビデオカメラ(LEDライト)とアンプ(デジタル信号またはアナログ信号)の両方でキャプチャできる共通のイベントが必要です。これを実現するために、社内の同期トリガーボックスが使用され、以下に詳述するように、単純なマイクロコントローラユニットプログラムを使用して構築できます。

1. トリガーボックスを構築するには、マイクロコントローラ開発ボード、LED、BNCコネクタ、パワーバンク、デジタル入力デバイス(プッシュボタンなど)、およびアンプのトリガーポートに接続する電気パルス/信号出力(トリガーワイヤー)を使用します( 図2Bを参照)。
   1. メスのBNCコネクタを入力(入力ピン:8など)として機能するプッシュボタンに接続し、LEDライトと電気パルス信号が出力(出力ピン:12など)として機能します(図 2Aを参照)。
   2. BNCコネクタを2.5mmの電線ケーブルを介して2つのアンプに接続し、プッシュボタンからデジタルTTL信号を読み取るときにEEG-ECG記録のサンプルをマークする1ビットトリガーを生成します( 図2Cを参照)。
2. 大人用と乳児用のトリガーポート設定を同じ方法で構成します amplifiersは、緊密で正確なEEG-EEG同期を確保します。
   1. トリガー・プッシュ・ボタンが押されたときではなく、トリガー・プッシュ・ボタンが離されたとき(押された後)に、両方のアンプ録音でトリガー・マーカーが生成されるように、トリガー・システムを設計します。
   2. アンプのトリガー・ポートの現在の状態を特定します。これが最初に 0 または LOW の場合は、ポートを LOW-ACTIVE に設定して、プッシュ ボタンを離したときにマーカーを生成します。または、ポートの初期状態が1またはHIGHの場合は、プッシュボタンを離したときにマーカーを生成するようにポートをハイアクティブに設定します ( 図3を参照)。

図2:トリガーボックスの構築(A)トリガーボックスのマイクロコントローラー回路図。(B)構築されたトリガーボックスの内部。(C)大人と乳児のEEG-ECGに接続されたトリガーボックス amplifiers、トリガープッシュボタン、およびパワーバンク。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:ハイアクティブおよびローアクティブトリガーポートの設定。 トリガ・ピンの初期状態(0または1)に応じて、トリガ・ポート設定(High Active、HAまたはLow Active、LA)が選択され、パルスの終了時(トリガ・プッシュ・ボタンが離されたとき)にマーカが生成されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

7.センサーストリームの同期

1. 同期を容易にするために、マイクレシーバーをそれぞれのビデオカメラに取り付けると、ビデオ(ビデオカメラ)とオーディオ(マイク)が自動的に同期されます。
   注意: マイクはビデオカメラに取り付けられており、EEG電極とECG電極は同じに接続されたEEG電極分岐セットから来ています amplifier、これらのデータストリームは自動的に事前に同期されます。
2. それぞれのマイク送信機を介護者のトップの襟と乳児のベストに取り付けます。
3. 3 台のビデオカメラすべてのビデオカメラの録画を開始するには、部屋のトリガーボックスからの LED ライト信号を位置が取り込むことができることを確認します。
4. ラップトップとアンプ(SDカードバージョン)で、乳児と介護者の両方でEEG記録を開始します。セッション後の同期を容易にするには、最初にカメラを起動し、次に乳児のEEGが他のすべてのセンサーが同期されるマスターセンサーであるため、成人と乳児の順にEEGセンサーを起動します(負のビデオEEGオフセットを回避するため)。
5. 両方のアンプをトリガーボックスのセットアップに取り付けます ampスプリアスマーカーを避けるために、2.5mmジャックをしっかりと使用してください(図2C)。
   注意: ジャックがに接続されているときに、EEG連続ストリームにトリガーマーカーが表示されます amplifier。
6. トリガーボックスを使用してデータストリームを同期します。
   1. 2つの構成(ボタン押下の開始と終了)間のマーカーの外観の違いは、押下がかなり長い(少なくとも1〜2秒)場合にのみ目立つため、押しボタンを長く押します。
   2. 複数回長押しして複数のトリガーを生成すると、センサー間の推定オフセットの精度と信頼性が向上し、一部のトリガーが一部のセンサーによって登録されていない状況での事後同期に役立ちます。
   3. すべてのカメラをチェックして、トリガーボックスからのLED信号が録音に表示されているかどうかを確認し、ラップトップで進行中のEEG録音に同時にマーカーが表示されているかどうかを確認します。
7. トリガーボックスのセットアップからアンプを取り外し、アンプがそれぞれのEEGキャップにしっかりと取り付けられていることを確認します。
8. この同期手順は、実験セッションの開始時と終了時に実行します。特に、Web カメラを使用してドロップされたビデオ フレームを監視すると、同期がドリフトする原因となる場合です。

8. 親子の相互作用実験

1. 親と乳児の相互作用タスクを開始する前に、テーブルからすべての機器を取り外して、保護者と乳児の相互作用実験の気を散らす可能性のあるものを取り除きます。
2. 実験課題を実施します。
   注:課題は、実験者からの最小限の指示または関与で、ペア間の自然な相互作用を強調するために選択されました(たとえば、自宅で通常行うように、赤ちゃんと5分間読書をするなど)。タスクの長さは、参加者の快適さと、アンプのバッテリー寿命などの機器の限界によって異なります。
3. 可能であれば、実験中はすべての実験者が乳児の視界から隠れるようにして、気を散らさないようにします。実験者の1人は、センサーストリーミングの問題が発生した場合に介入できるように、録音ラップトップの近くに留まることです。録音ラップトップがアンプ(< 10 m)の近くにあることを確認してくださいampワイヤレス(Wi-Fi、Bluetooth)の劣化によるサンプルの損失を防ぎます。

9. 実験終了時の片付け

1. ビデオカメラでの録音と、ラップトップとアンプのEEG記録ソフトウェアを停止します。電源を切ります amplifierキャップから取り外します。
2. EEGキャップの取り外し
   1. 介護者から心電図テープと電極をそっと取り外すか、必要に応じて乳児の心電図を取り外すように介護者に依頼します。乳児の肌は敏感ですので、おしりふきまたはぬるま湯でテープを濡らすと、簡単に剥がすことができます。
   2. キャップのフックとループの端を取り外すことから始め、次にキャップを後ろに剥がして裏返します。おしりふきを使用して乳児の頭に付着したゲルの残留物を取り除き、介護者のキャップを取り外してください。
   3. シャワーで余分なジェルが洗い流されやすいことを介護者にアドバイスしてください。
3. 輸送の準備
   1. EEGキャップをEEGおよびECG電極と一緒にビニール袋に入れます。キャップのゲルがキャップのスプリッターボックスに接触しないようにしてください。輸送中は、ワイヤーとスプリッターボックスを構造化された箱に保管してください。
   2. 輸送中の機械的損傷を防ぐために、 amplifierはパッド入りの箱に詰めて、振動を最小限に抑えます。
4. ラボでのキャップ後のクリーニング
   1. できるだけ早くEEGキャップの清掃を開始してください。
   2. EEGキャップをクリーニングタブに入れ、ワイヤーを水源から離れた乾いた布で挟みます。スプリッターボックスが水に触れないようにしてください。
   3. 浴槽に約1Lの水を注ぎ、アルデヒドベースの消毒剤10mLを追加します。キャップを溶液内に10分間置いておきます。キャップを溶液に長時間入れすぎたり、消毒剤を入れすぎたりすると、時間の経過とともにキャップの劣化が加速しますので、おやめください。
   4. 10分後、歯ブラシを使用して、流水で電極からゲルの残留物を洗い流します。アクティブ電極は、各電極に小さな電子回路が組み込まれているため、アクティブ電極のクリーニングには特に注意してください。
   5. キャップを水で十分にすすいで、消毒液を取り除きます。
   6. 乾いた布を使用して、キャップを軽くたたいて乾かし、キャップ内に乾いた布を挿入して、残っている水分を吸収します。フックとループの端を閉じて、乾いた布をキャップ内に保ちます。
   7. キャップを吊るして乾かし、キャップの濡れた端がコネクタに接触しないようにします。これを実現するには、吊り下げながらキャップをスプリッターボックスとコネクタよりも低い位置に置きます。
5. データ保存
   1. ビデオカメラのSDカードからのデータ、 amplifier、およびラップトップからの録音がエクスポートされ、データ保存サイトにバックアップされていることを確認します。

10. データ品質保証

1. ビデオオーディオデータ
   1. サウンドがオンになっていること、タスク中に視界が遮られていないこと、マーカーがキャプチャされていることを確認します。
2. EEG-ECGデータ
   1. SDカードの記録が存在し、破損していないことを確認してください。マーカーが両方のEEG記録でキャプチャされているかどうかを確認します。
   2. 技術的な障害、つまり、アンプの切断やEEG / ECG信号の電気的または機械的な干渉がないか確認します。

11. データ処理

1. マルチセンサー録音の同期
   1. 保護者、乳児、および複合ビューのビデオカメラのビデオをビデオ編集ソフトウェアにインポートします。
   2. ビデオを見て、各LEDトリガーライトが最初に表示される特定のフレームをマークします。ビデオを引き続き読み進め、トリガーごとにLEDライトが完全に消える特定のフレームに別のマーカーを追加します。
   3. 3 つのビデオすべてについて、次の手順を実行します。完了したら、すべてのビデオのマーカーのフレーム番号をスプレッドシートに書き留めます。
   4. 脳波マーカーを開きます files乳児と大人のためのアンプのSDカードから。マーカーのサンプル情報をスプレッドシートに書き留めます。
   5. 動画はフレーム/秒(FPS、例:25FPS)で記録され、脳波-心電図はサンプル/秒(例:500Hz)で記録されるため、フレーム数とサンプル数をミリ秒(ms)などの共通の測定単位に変換して、1つのタイムラインを作成できるようにします。
   6. すべてのセンサー(ビデオおよび生理機能の記録)について、連続するマーカーのペアごとにmsタイムスタンプを差し引くことにより、トリガー間の時間(ここではトリガー間インターバル(ITI)と呼びます)を計算します。
      注意: 記録センサーの開始時間は異なりますが、異なるセンサー(ビデオとEEG)間で同じトリガーセットのITI単位(ミリ秒)は一致する必要があります。したがって、これを検証するには、すべてのセンサーとマスターEEGの間の各ITI(ITI Lag)の差を計算します。
   7. ビデオの品質を確認してください-EEG ITIラグ。サンプリングレート/ FPSは2つのセンサー間で異なるため、通常、EEGはビデオよりもはるかに高いサンプリングレートを持ち、計算されたEEGビデオITI遅延に対して1ビデオフレーム(ここでは40ミリ秒)±許容誤差を許容します。
   8. 成人の脳波の品質を確認してください - 乳児の脳波ITIラグ。サンプリングレートが同じであるため、1 EEG サンプル(ここでは 2 ミリ秒)±誤差許容誤差を許容します。
   9. これらのチェックが完了したら、各センサーとマスターセンサーのタイムライン(この場合は乳児EEG)との間のオフセットを計算します。
   10. マスターEEGの各トリガーマーカーのmsタイムスタンプを、各センサー(ビデオ、成人EEG)のそれぞれのマーカーから減算します。これにより、各センサーに対してN個の[センサー - マスターEEG]オフセット(N =トリガーの数)が生成されます。
   11. 各センサーについて、これらのオフセットの平均を計算し、それらを切り上げて、マスターEEGに対する最終的なオフセット数を生成します。これらのオフセット番号を使用して、ビデオとEEGデータをカットし、マスターEEGと同時に開始します。
2. シンプルなビデオコーディング
   1. ビデオ内の実験のさまざまな段階(実験タスクの開始と終了、中断など)を特定するには、ビデオ編集ソフトウェアを使用してフレーム内の特定のタイムスタンプを書き留めます。
3. EEG前処理
   1. タスクの開始時と終了時に大人と乳児のEEGファイルをカットします。
   2. 不良チャネルの特定と削除
      1. タスク記録の全体/大部分でノイズが連続して発生している、または信号が含まれていないように見えるチャネルをメモします。
         メモ: 低密度の録画では、できるだけ多くのチャンネルを保持することが目的です。したがって、短期間しか不良ではないチャネルの場合は、チャネル自体ではなく、分析の後の段階で破損したデータ セグメントを削除することをお勧めします。
      2. パワースペクトル密度(PSD)をプロットして視覚的に検査し、外れたチャネルを特定します。
   3. 低速 (2 秒以上) の線形トレンドを除去するには、カットオフ周波数が 0.5 Hz の基本 FIR ハイパス フィルターを使用してデータをハイパス フィルターします。
   4. 筋原性ノイズや外部ソースから高周波ノイズを除去するには、カットオフ周波数が 35 Hz の基本 FIR ローパス フィルターを使用してデータをローパス フィルター処理します。
   5. データを連続した重複しない 1 秒エポックに分割します。
   6. 最小値が -100 μV (成人の場合) と -150 (乳児の場合) 未満、および/または +100 μV (成人の場合) と +150 (乳児の場合) を超える最大値を持つすべてのセグメントを自動的に拒否します。
   7. 11.3.6 で除外されていないすべてのセグメントを目視検査します。アーティファクトを含むすべてのセグメントを手動で拒否します。拒否されたセグメントの間に 1 つの 1 セグメントのみが配置される場合は、1 つのセグメントが保持されないように、期間全体を削除します。
   8. INS/ダイアディック解析では、成人と乳児に共通する受け入れられたセグメントのみを解析します。乳児で拒否された成人のすべてのセグメントを削除することにより、またはその逆により、成人と乳児のEEG時系列が完全に整列したままであることを確認してください。

この研究に含まれた参加者は生後8か月から12か月で、典型的には発育中の乳児と、英語または自宅で英語と第二言語を話す母親および/または祖母でした。7電極の脳波と成人と乳児のシングルリード心電図、および3台のカメラとマイクからのビデオとオーディオの記録は、タスク中に同時に取得されました。神経活動は、国際的な10-20システムに従って、F3、F4、C3、Cz、C4、P3、およびP4で測定されました。異なるデータストリームは、実験の開始時と終了時に時間的に整列させ、カットして、すべての記録がt=0の時点から開始されるようにしました(図4)。

図4:データストリームの同期。 3 台のカメラ (乳児ビュー、コンバインドビュー、介護者ビュー)、介護者と乳児の生心電図、および介護者と乳児の生脳波が同じタイムラインに同期されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

データセットの最初の5つのペアと合計10人の参加者のEEGデータ保持率と品質指標を 表1に示します。不良チャネルの除去後(図5)、アーチファクトを含むデータセグメントは、自動電圧閾値を使用して拒否され、続いて残りのセグメントを目視検査しました(図6)。その結果、脳波記録の平均長はM = 562.96秒(SD±148.94秒)でした。これらのうち、成人データのM = 34.30%(SD ± 13.00%)、乳児データのM = 46.32%(SD ± 16.63%)が、自動および手動拒否後に受け入れられました。成人と乳児の一致データのみを考慮すると、保持率は M = 20.58% (SD ± 9.51%) に低下し、M = 215.00 秒 (SD ± 117.54 秒) の一致タスク データが残ります。さらに、ダイアドあたり合計0〜2チャンネルは、データ品質が一貫して低いため除外されました。

図5:不良チャネルの特定。 7つの脳波チャンネルの乳児脳波データスクロールとパワースペクトル密度(PSD)プロットで、チャンネルCzがフラットライン(A:データスクロール、 B:PSDプロット)であるか、チャンネルF3のノイズが大きすぎる(C:データスクロール、 D:PSDプロット)場合。不良チャネル検出はEEGLAB¹⁷で行いました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 6: アーティファクトの拒否。 アーティファクトを含むエポックは、(A)リジェクト閾値、(B)その後の目視検査による手動リジェクトに従って自動的にリジェクトされました。プロットの強調表示された部分は、拒否しきい値 (A) または手動拒否 (B) に従って拒否されたセグメントを示しています。データはEEGLAB¹⁷で可視化しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

テーブル 1. 実験タスク中の 5 組の EEG データ品質レポート。

このプロトコルでは、乳児や介護者がより快適に感じ、彼らの行動が実験室の設定とは対照的に実際の相互作用をより代表している可能性のある参加者の家で測定を行い、したがって、生態学的妥当性を高めます⁷。さらに、自宅環境での録音は、参加者の負担、例えば移動時間に関して軽減し、したがって、特定の参加者グループをよりアクセスしやすくすることができる。しかし、これらの利点に加えて、現実世界の状況での自然主義的なEEGハイパースキャン記録は、実験デザインとプロトコル、およびデータアーティファクトに関して独自の課題と制限をもたらします。以下では、ホームレコーディングの課題と可能な解決策について説明します。

自然主義的な環境では、空間、温度、中断などの一連の交絡変数が導入される可能性があり、これらは自宅の参加者グループ間で異なる場合がありますが、制御された実験室環境では一定に保たれます。EEGハイパースキャンプロトコルは、いくつかのカメラ、マイク、録音ラップトップなど、多くの技術機器を必要とするため、参加者の自宅に十分なスペースがないことが問題になる場合があります。研究者は、機器を無計画に設置したり、雑然とした場所に囲まれて設置したりしないように注意する必要があります。たとえば、食べ物や飲み物が置かれたテーブルにデバイスを設置しないように注意したり、狭いスペースでカメラの三脚が道を塞がないように注意することが重要です。スペースの問題を防ぐ方法の1つは、事前に参加者の自宅を訪問して、スペースの制約に対して事前に適切に計画を立てることです。また、参加者に必要なスペースからアイテムを片付けるようにリマインダーを送信するのも役立ちます。カメラと三脚は、特にセッション中に乳児が座っている場所から手の届かないところにある場合は、できるだけ邪魔にならないように配置する必要があります。何よりも、セットアップのすべての段階で、すべての関係者の安全を考慮する必要があります。自然主義的な環境で研究者が遭遇する可能性のある別の要因は、温度の変化です。シンガポールでは、日中、年間を通じて気温が高いため、脳波データに汗のアーチファクトが発生することがありますが、適切な空調を備えた実験室環境でより適切に制御できます。また、ファンを使って参加者を涼しく保つと、電化製品が近くにあるため、他のアーチファクトが発生したり、吹き付ける空気が参加者の髪の毛や脳波ワイヤーを移動させたりして、データ品質が低下する可能性があります。理想的には、セッション中はエアコンを使用して参加者を涼しく保つ必要があります。それでも、これが不可能な場合は、EEGデータにノイズが発生しないように、参加者に近すぎないようにしながら、オーバーヘッドファンまたはスタンディングファンを代わりに使用できます。他の選択肢は、汗のアーティファクトを避けることができるように、可能であればその日の涼しい時間にセッションをスケジュールすることです。最後に、研究者は、特に参加者の自宅でセッションを実施する場合、自然主義的な環境で中断が発生する可能性があることにも注意する必要があります。家族が近くにいる可能性があるため、彼らが歩いている可能性のある談話室でセッションを撮影する際にプライバシーが侵害される可能性があります。また、タスク中に乳児が他の介護者や家族に会うことは、乳児にとって気を散らす可能性があり、EEG測定値に偏りが生じる可能性があります。セッションをスムーズに進めるためには、他の家族が別の部屋にいるのが理想的であることを参加者に思い出させるのが最善です。また、研究者は、他の家族に迷惑をかけないように、できるだけ効率的にセッションを行うように努めることもできます。最後に、研究者は、参加者の家を出る前に、すべてのデータが収集され、必要な項目が完了していることを確認する必要があります。完了すべきドキュメントとアイテムの明確で整理されたチェックリストを用意することで、重要なステップを見逃さないようにし、効率的かつタイムリーに完了することができます。

自然主義的な環境で見られる交絡変数とは別に、自然環境での各セッションで調整する必要があるプロトコルのいくつかの側面もあり、それ以外の場合は実験室環境で制御されます。カメラアングルや照明など、特定の側面では標準化ができなくなります。セットアップの柔軟性を確保しながら、高品質で比較可能なデータを確保することが重要です。カメラアングルは、レイアウトやスペースの違いにより、各参加者の自宅によって変化する可能性があり、特定のイベントや行動指標についてビデオに後で注釈を付けるのが難しくなる可能性があります。同様に、照明も家庭ごとに異なるため、ビデオの品質に影響を与える可能性があります。研究者は、参加者が主要な光源に座っていないことを確認したり、どのカメラアングルを優先すべきかを知るなど、適応可能な一般的な基準を作成することで、適切な準備をすることができます。別の異なる要因は、各セッションで使用できる家具です。研究者は参加者の自宅に家具を持ち込むことができない可能性が高いため、参加者がすでに持っている家具に頼らざるを得ません。このため、使用される家具の違いにより、介護者と乳児の間の身体的なダイナミクスが変わる可能性があります。たとえば、さまざまな種類のベビーチェアは、タスク中に乳児が座る高さと位置を変更します。これは、介護者が子供と対話する方法に影響を与える可能性があり、潜在的な筋肉運動のアーチファクトやその他の要因により、EEGデータにも影響を与える可能性があります。データ分析の前処理段階では、研究者は同期されたビデオからガイダンスを求めることにより、特定の動きによって引き起こされるEEGアーティファクトを特定できる場合があります。さらに、どのような行動が観察または分析されるのかについての一般的な考え方を持つことは、さまざまな物理的ダイナミクスにもかかわらず、必要なデータを確実に取得するのに役立ちます。

EEG実験の家庭環境の自然主義的な設定のさらなる意味合いは、生理学的センサーデータの品質と有用性に関係しています。脳波記録は、環境(ラインノイズ¹⁸などの非生理学的)および生理学的源(眼、汗、筋原性)¹⁹からのアーチファクト干渉を受けやすい。無線脳波は一般的にラインノイズに対して脆弱ではありませんが、家庭内の電気機器、たとえばファン、テレビ画面、エアコンはノイズアーティファクトを引き起こします。一方、動きのアーチファクトは、自然主義的な設定ではさらに顕著であり、データ保持の低下^11,20、信号対雑音比^の低下21、および解釈におけるデータ分析の脆弱性¹¹の一因となります。ダイアディック脳波と乳児脳波は、記録時間が短い、ステレオタイプのアーティファクトの提示が少ない、およびハイパースキャンの場合、時間14,22,23に一致するクリーンな分析可能なセグメントの必要性により、データ保持にさらなる課題を提示します。これらの要因の軽減は、思慮深い実験計画と十分に較正された実験セットアップ²²に依存しています。高密度EEG組成物では、標準的なノイズ成分の独立成分分析(ICA)除去など、一部のアーチファクト補正およびデータ拡張技術が可能ですが、これは低密度セットアップでは推奨されません。対照的に、アーティファクトの手作業による注釈や、影響を受けたEEGチャネルとセグメントの削除に依存すると、データ損失が大きくなります。提案されたプロトコルは、より多くのEEGチャネルでも実行できますが、準備時間が長くなります。取得時間が短いことと脳波データが豊富であることのこれらの利点は、互いに慎重に比較検討する必要があります。ここでは、自動電圧スパイクラベリングと手動のアーティファクト除去の組み合わせを使用して、厳格な品質基準に準拠した、自然主義的なホームレコーディングからのデータ保持率の現実的な推定値が報告されています。保持率は低かったが(成人でM = 34%、乳児でM = 46%)、自然主義的な乳児-成人EEG記録の例外範囲内にあり、例えば、比較として、Dikkerら¹²は、乾電極を使用した成人EEGでのディスカッションタスク中に38%の保持率を報告しました。パラダイムから回復されたクリーンなデータの量は、時間周波数ベースの接続性解析など、さらなる解析に供給できます。低密度脳波記録のアーティファクト補正のための代替の半自動パイプライン(HAPPILEE²⁴など)は、現在の論文の範囲外ですが、ICAを使用せずにアーティファクトを除去し、データ損失を大幅に減らすのに役立つ可能性があります。

高品質の脳波を確保しながらも実現可能なデータ収集を実現するために、研究者は、自然主義的な設定が実験セッションで選択されるタスクにどのように影響するかを考慮する必要があります。たとえば、タスクの選択は、ダイニングテーブル、椅子、ベビーチェア、プレイマットなど、参加者の家で一般的に見られるものに基づいて行うことができます。これにより、前後に輸送する必要があるかさばる機器や家具が少なくなり、セットアップとクリーンアップの時間も短縮されます。この実験では、机上遊びに適した本や玩具を使用し、保護者と子供が自然な遊びのダイナミックさを維持しながら、自由な動きを制限することで、筋肉の動きの脳波アーチファクトを減らすことができました。その結果、現在のプロトコルでは、玩具は自然な相互作用を反映するものに基づいて選択されました。例えば、保育者と子どもがテーブル上で動かせる吸引力のある玩具は、テーブルから落ちないという利点があり、介護者が拾おうとするとモーションアーチファクトが発生することがあります。また、研究者は、参加者の負担を軽減するために、準備や後片付けの時間にも注意する必要があります。

自然主義的な環境で脳波ハイパースキャン測定を行うことを選択することは、より生態学的に有効なデータに多くの利点がありますが、研究者は実験計画から生じる可能性のある制限と課題を認識し、影響を可能な限り軽減するための十分な手順を実施する必要があります。研究者は、パラダイムを最適化し、訪問を計画する際に、生態学的設計と実験的制御のバランスを取るよう努めなければなりません。上述したように、実験のセットアップに関してある程度の柔軟性が必要ですが、これにより参加者間のばらつきが大きくなります。これは実験的な観点からは望ましくありませんが、参加者の実際の環境をより反映している可能性があります。さらに、自然主義的な設定では、上で説明したように、EEGデータにより多くの他の種類のアーティファクトが導入される可能性があります。これらは、適切なEEGの前処理および分析技術によってある程度軽減できますが、一般的には、データの損失が増し、品質が低下する可能性があります。さらに、使用される機器、特にカメラと三脚には、比較的かさばり、重いという欠点があるため、輸送が困難であり、限られたスペースにはあまり適していません。最後に、湿式電極システムには、追加の実験材料(ゲル、シリンジ、手袋、ワイプなど)とより長い準備時間が必要です。実験者は、例えば家具の一部にジェルが付着するなど、参加者の家に散らかっていないよう細心の注意を払い、乳児がそうするリスクがあることを事前に説明しなければならない。ドライ電極は、これらの問題を回避し、セットアップ時間を節約するための優れた代替手段となります。したがって、より大きなグループ(例えば、教室)でのハイパースキャン記録の場合、これらが選択可能な方法である可能性がある(例えば、 ¹²を参照)。したがって、このプロトコルを目の前の状況に洗練して適応させることにより、学校や職場など、さまざまなタイプの自然主義的な環境に適用して、より多様なハイパースキャンおよび行動データをキャプチャできる可能性があります。

利益相反は宣言されません。

この研究は、VRに授与された南洋理工大学の大統領博士研究員助成金によって資金提供されました。